涂覆泡沫混凝土墻體的抗爆防護性能研究

高一軒 郭佳輝 劉昌偉

（南京理工大學機械工程學院， 江蘇 南京 210094）

0 引言

泡沫混凝土又稱發泡水泥，是一種含有大量細小的封閉氣孔，并具有一定強度的混凝土制品。將其涂覆在墻體外可有效地削弱爆炸產生的沖擊波的作用，進而對其涂覆的墻體起到保護作用，在抗爆防護領域內有著極大的使用價值。

近年來，國內外許多學者對泡沫混凝土的吸能特性，和抗爆性能等方面做了大量的研究。國內方面，嚴龍勝等[1]通過數值模擬研究了含有聚苯乙烯的輕混凝土對隧道防爆特性的影響。洪鑫等[2]從密度、氣泡孔數量與大小、原材料等角度分析了影響泡沫混凝土節能減震效果的因素，分析了其影響機理。杜玉蘭[3]等采用室內小型平板模型實驗，研究了復合結構中的泡沫混凝土層的厚度、位置對于抗爆性能的影響。張景飛等[4]進行了爆炸載荷沖擊下的泡沫混凝土節能減震實驗，分析了不同材料參數下的泡沫混凝土的吸能特性。宋林波等[5]發現波紋型結構在爆炸載荷下的防護能力明顯優于普通平板型，得到了波紋周期越小，防護效果越好的規律。

國外方面，D.K.Panesar 研究了空氣含量及不同種類發泡劑對于泡沫混凝土的坍落度、塑性空氣含量和塑性密度等性能以及其他性能，包括硬化密度、抗壓強度、靜態彈性模量和耐熱性的影響。本文主要對泡沫混凝土結構的抗爆性能進行分析，計算在不同炸高工況下泡沫混凝土結構的抗爆能力。

1 數值仿真有限元模型選定及材料模型參數

1.1 有限元模型選定

采用尺寸為：Φ25mm×38mm 的圓柱形TNT 炸藥。為了劃分網格及后期運算的簡便，空氣域與泡沫混凝土結構也均采用圓柱形建模，泡沫混凝土結構尺寸為：Φ300mm×20mm。空氣域將炸藥及泡沫混凝土包含在其中。建模如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

在數值仿真計算的過程中，模型整體為圓柱形，因此在建模時采用1/4 模型進行計算。為了防止網格數量過多，控制求解規模，網格劃分采用“中密邊疏”的方式，即爆炸區域網格較為密集，單元網格尺寸大小在1mm×1mm×1mm 左右，隨著遠離爆炸區域，網格尺寸逐漸增大。

1.2 材料模型參數設置

1.2.1 炸藥與空氣材料模型及參數

在三維結構計算模型的構建中，炸藥與空氣采用歐拉網格，泡沫混凝土結構采用拉格朗日網格，并利用了ALE 算法進行了網格耦合。

1.2.2 泡沫混凝土結構模型及參數

泡沫混凝土的模型采用了MAT_BRITTLE_DAMAGE 模型，是一種各向同性、脆性、損傷模型，并被廣泛應用于脆性材料模型中。為了模擬泡沫混凝土在沖擊毀傷下的破碎效果，同時防止網格畸變發生負體積錯誤，采用MAT_ADD_EROSION 關鍵字定義單元失效。當單元中的主應變達到破壞準則時，將單元從計算中刪除。其材料參數及失效參數設置見表1、表2。

表1 泡沫混凝土材料參數

表2 泡沫混凝土失效參數

2 數值仿真結果及分析

根據仿真結果對泡沫混凝土結構的加速度和迎爆面、背爆面壓力進行了分析。

根據仿真計算結果及統計，可以得出隨著炸高的增加，泡沫混凝土結構的加速度有所下降，加速度與炸高之間呈線性關系。可知隨著炸高的增加，泡沫混凝土結構中心點處單元的迎爆面壓力會隨之下降，在炸高達到160mm 后，下降速度開始趨于平緩。背爆面壓力變化趨勢與迎爆面基本相同。

抗爆能力的計算公式為

式中，1為迎爆面壓力，2為背爆面壓力。

根據統計結果，隨著炸高的增加，泡沫混凝土結構對爆炸沖擊波的抗爆能力也會增強，因此，在選擇涂覆泡沫混凝土位置時，應選擇距離爆炸處相對較遠的位置，其抗爆性能會更好。

3 試驗驗證

為了驗證數值仿真計算的準確性，開展了靜爆威力試驗。

3.1 試驗方案與布置

試驗所用泡沫混凝土靶板的尺寸為300mm×300mm×20mm，其中心設置了加速度測點。所用炸藥為TNT 圓柱形壓制炸藥，裝藥規格為30g，尺寸為Φ25mm×38mm。由于地面為混凝土剛性面，爆炸后加速度傳感器和測試線飛出容易被損壞，所以在試驗時使用塑料泡沫保護傳感器線路。共進行了兩次試驗。

3.2 試驗結果與分析

試驗測量結果如圖2 所示。

圖2 加速度測量結果

可以發現所得結果基本相同，誤差在可接受范圍之內，由此可以認定數值仿真的結果是準確可靠的。

4 結束語

通過對五種不同炸高工況下的數值仿真計算，研究了泡沫混凝土的抗爆防護性能。為確保數值仿真計算準確可靠，進行了其中一種工況下的試驗。通過對比試驗結果與數值仿真計算結果，誤差在可接受范圍內，因此可確定數值仿真計算結果的可靠性。得出的結論如下：

（1）泡沫混凝土結構可吸收爆炸沖擊波的能量，從而有效地衰減爆炸沖擊波的威力。在藥量30g，炸高80mm 的工況下，泡沫混凝土結構背爆面處的超壓已不會毀傷普通的混凝土墻或砌體墻。

（2）泡沫混凝土結構對爆炸沖擊波的衰減程度隨著炸高的增加也有著上升的趨勢，因此，將泡沫混凝土涂覆在距離爆炸相對較遠的位置時，其抗爆能力更好。